KR100843741B1 - Method for preparing a silicon on sapphire thin film - Google Patents

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KR100843741B1
KR100843741B1 KR1020070032106A KR20070032106A KR100843741B1 KR 100843741 B1 KR100843741 B1 KR 100843741B1 KR 1020070032106 A KR1020070032106 A KR 1020070032106A KR 20070032106 A KR20070032106 A KR 20070032106A KR 100843741 B1 KR100843741 B1 KR 100843741B1
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조훈영
권영해
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동국대학교 산학협력단
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Abstract

A method for manufacturing a sapphire thin film having a silicon-stacked structure is provided to obtain high quality by suppressing generation of crystalline defects due to lattice mismatch and a thermal expansion coefficient difference. Silicon ions having ion implantation energy of 1-200keV and ion dose of 1x10^14-5x10^17cm^-2 are implanted onto a sapphire substrate(1). A thermal process is performed to form nano-silicon seeds(3) by crystallizing the implanted silicon ions. A crystalline silicon layer is formed on the nano-silicon seeds during 1-5 minutes by controlling a flow rate, in order to form a flow rate of H2:SiH4 corresponding to 35-45:1 at 750-850 degrees centigrade and pressure of 1-2 Torr. A single crystalline silicon layer(4) is formed on the crystalline silicon layer during 30-90 minutes by controlling the flow rate, in order to form the flow rate of H2:SiH4 corresponding to 10-20:1 at 850-950 degrees centigrade and pressure of 2-3 Torr.

Description

실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법{Method for preparing a silicon on sapphire thin film}Method for preparing a silicon laminated sapphire thin film {Method for preparing a silicon on sapphire thin film}

도 1은 종래기술에 의한 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법에 따른 공정도이다.1 is a process chart according to a method for manufacturing a silicon laminated sapphire thin film according to the prior art.

도 2는 본 발명의 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법에 따른 공정도이다.Figure 2 is a process chart according to the manufacturing method of the silicon laminated sapphire thin film of the present invention.

도 3은 본 발명의 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법에 의해 나노 실리콘 종자의 상부에 일차적으로 결정화실리콘층이 형성되는 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram of the first crystallization silicon layer is formed on the top of the nano silicon seeds by the method for producing a silicon laminated sapphire thin film of the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 나노 실리콘 종자가 형성된 사파이어 기판에 대한 전자 투과 현미경(TEM) 사진이다.4 is an electron transmission microscope (TEM) photograph of a sapphire substrate on which nano silicon seeds are formed according to the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 1의 중간단계에서 형성된 결정화 실리콘층에 대한전자 주사 현미경 사진(SEM) 및 전자 투과 현미경 사진이다.5 is an electron scanning micrograph (SEM) and an electron transmission micrograph of the crystallized silicon layer formed in the intermediate step of Example 1 of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘적층 사파이어 박막에 대한 전자 투과 현미경 사진이다.6 is an electron transmission micrograph of the silicon-laminated sapphire thin film prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘적층 사파이어 박막에 대한 XRD 데이터이다. 7 is XRD data for the silicon-laminated sapphire thin film prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘적층 사파이어 박막에 대한 Raman 데이터이다.8 is Raman data for the silicon-laminated sapphire thin film prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1... 사파이어 기판 2...이온주입층1 ... sapphire substrate 2 ... ion implantation layer

3...나노 실리콘 종자 4...단결정 실리콘층3 ... nano silicon seed 4 ... monocrystalline silicon layer

4'...실리콘층 5...결정화 실리콘층4 '... silicon layer 5 ... crystallized silicon layer

6...thining 층6 ... thining layer

본 발명은 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노실리콘 종자를 이용한 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a silicon laminated sapphire thin film, and more particularly, to a method for manufacturing a silicon laminated sapphire thin film using nanosilicon seeds.

실리콘적층 절연체(Silicon on insulator:SOI)는 회로를 형성하는 기판 표면과 하층 사이에 얇은 절연막층이 있기 때문에 기생 용량(parasitic capacitance)이 감소되어 소자의 성능을 높일 수 있는 특징이 있으며, 같은 전압에서 동작 속도를 빠르게 할 수 있고, 같은 속도에서 전원 전압을 낮게 할 수 있다는 특징때문에 차세대 집적회로에서 중요성이 증가되어 주목받고 있는 기술 중에 하나이며, 그중 실리콘적층 사파이어(Silicon on sapphire:SOS)는 SOI 기술중 잘 발달된 기술중에 하나이다.Silicon on insulator (SOI) is characterized by a thin insulating layer between the substrate surface forming the circuit and the lower layer, thereby reducing parasitic capacitance and improving device performance. One of the technologies that is gaining in importance in next-generation integrated circuits because of its high operation speed and low supply voltage at the same speed, silicon on sapphire (SOS) is an SOI technology. It is one of the well developed technologies.

종래의 SOS 구조는 사파이어(Sapphire A12O3) 기판 상에 에피택시(Epitaxy) 방법으로 단결정 실리콘층을 형성하였는데, 이와 같이 제조된 종래의 SOS 구조는 사파이어와 실리콘간의 격자간 매개변수(Lattice parameter)가 다르기 때문에 상기 사파이어 기판과 그 상부의 단결정 실리콘층과의 계면으로부터 상기 단결정 실리콘층 두께의 절반 정도는 결정성이 없어지게 되며, 그 박막 내에 전위(dislocation), 축척결함(stacking faults), 쌍정(microtwins)과 같은 결정 결함이 상당량이 함유되어 있다. 이러한 결함은 소자의 전송자 이동도를 감소시키고 누설전류가 증가되는 문제점이 있었다. The conventional SOS structure forms a single crystal silicon layer on the sapphire (Sapphire A1 2 O 3 ) substrate by epitaxy method. The conventional SOS structure thus manufactured has a lattice parameter between sapphire and silicon. ), Half of the thickness of the single crystal silicon layer disappears from the interface between the sapphire substrate and the single crystal silicon layer thereon, resulting in dislocations, stacking faults, and twinning in the thin film. It contains significant amounts of crystal defects such as microtwins. This defect has a problem of reducing the transmitter mobility of the device and increasing the leakage current.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 재결정화(recrystalline), 이중주입(doble implantation), 재성장(double epitaxy) 등 여러 가지 공정(process)이 알려져 있으며, 그 대표적인 공정이 SPE(Solid Phase Epitaxy)공정이다. Therefore, in order to solve this problem, various processes such as recrystallization, double implantation, and double epitaxy are known, and a representative process is a solid phase epitaxy process. .

SPE 공정은 (i)r-면의 사파이어(1-102)기판위에 CVD법에 의하여 실리콘층을 성장시키는 단계, (ii) 상기 실리콘층에 실리콘 이온을 주입하는 단계, (iii) 주입된 실리콘 이온과 상기 실리콘층을 열처리를 통해 재결정화하는 단계, (iv) 최상부의 thining층을 제거하여 박막화(film thining)하는 단계를 포함한다. 도 1은 종래기술에 의한 SOS 박막의 제조방법에 따른 공정도로서, (가)단계에서 사파이어(1-102)기판(1)을 사용하여, (나)단계에서 실리콘층(4')을 CVD법으로 성장하고, (다)단계에서 실리콘 이온 주입 및 열처리를 통하여 재결정화를 수행한 후, thining 층(6)을 형성시키고, (라) 단계에서 상기 thining 층(6)을 에칭시켜 제거하며, (다)단계와 (라)단계를 반복하는 단계가 추가 될 수 있다. (마) 단계에서 사파이어 기판(1)위에 실리콘층(4')이 형성된 SOS 박막을 얻을 수 있다.The SPE process comprises the steps of (i) growing a silicon layer on a sapphire (1-102) substrate by CVD, (ii) implanting silicon ions into the silicon layer, (iii) implanted silicon ions And recrystallizing the silicon layer through heat treatment, and (iv) removing the uppermost thinning layer to thin the film. FIG. 1 is a process diagram according to a method for manufacturing a SOS thin film according to the prior art. In the step (a), a sapphire (1-102) substrate 1 is used, and in step (b), the silicon layer 4 'is CVD. After recrystallization through silicon ion implantation and heat treatment in step (c), the thinning layer 6 is formed, and in step d), the thinning layer 6 is etched and removed, Steps 3) and (d) may be added to repeat the steps. In the step (e), the SOS thin film in which the silicon layer 4 'is formed on the sapphire substrate 1 can be obtained.

한편, 재성장법은 상기 SPE 공정을 수행한 후에, 추가적인 Si 층을 더 성장시키는 단계를 포함하며, 이중 주입법은 상기 SPE 공정을 수행한 후에, 2차 Si 이온을 주입하는 단계와 열처리 공정이 더 포함된다.Meanwhile, the regrowth method includes further growing an additional Si layer after performing the SPE process, and the double implantation method further includes injecting secondary Si ions and a heat treatment process after performing the SPE process. do.

미국 등록특허공보 제4,177,084호에는 사파이어 기판 상에 단결정 실리콘층을 에픽택셜 증착시키는 단계; 상기 실리콘층 내부의 실리콘과 사파이어의 계면에 이온을 상기 실리콘층의 주된 결정축과 평행한 방향으로 주입하여 무정형 실리콘 영역을 형성시키는 단계; 및 상기 기판을 열처리하여 상기 무정형 실리콘을 단결정 실리콘으로 전환시키는 단계를 포함하는 SOS 웨이퍼의 제조방법이 개시되어 있으나, 실리콘층을 이미 형성시킨 다음에 후처리 공정으로서 이온주입을 하기 때문에실리콘층의 표면의 평탄도가 떨어지는 문제점이 있으며, 열처리 이후에 불순물 등이 최 표면층(thining 층)에 모여있게 되어 상기 최 표면층을 제거하는 추가적인 공정이 필요하다.US Patent No. 4,177,084 includes the steps of epitaxially depositing a single crystal silicon layer on a sapphire substrate; Implanting ions at an interface between silicon and sapphire in the silicon layer in a direction parallel to a main crystal axis of the silicon layer to form an amorphous silicon region; And converting the amorphous silicon into single crystal silicon by heat-treating the substrate. However, since the silicon layer has already been formed, ion implantation is performed as a post-treatment process. There is a problem that the flatness of is poor, and after the heat treatment, impurities and the like are collected in the outermost layer (thining layer), and thus an additional process of removing the outermost layer is required.

한편, 대한민국 등록특허공보 제88-2385호에는 반도체소자의 SOS 구조에 있어서, 공지의 방법으로 사파이어의 위에 실리콘층을 형성한 다음, 그 실리콘층의 위에 SiO2 산화층을 형성하고, 상기 실리콘층의 내부에 질소이온을 주입시킨 뒤 열처리하여 그 질소이온이 존재하는 부위에 질화실리콘층이 형성되게 한 다음 상기SiO2 산화층을 제거시킨 후, 다시 실리콘층의 위에 일정두께의 Si 단결정층을 성장 시켜 새로운 실리콘층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 SOS 구조 개선방법이 개시되어 있으나, 제조공정이 매우 복잡하다는 문제점이 있다.Meanwhile, Korean Patent Publication No. 88-2385 discloses a silicon layer on sapphire by a known method in the SOS structure of a semiconductor device, and then forms an SiO 2 oxide layer on the silicon layer. After implanting nitrogen ions inside and heat-treating to form a silicon nitride layer at the site where the nitrogen ions exist, remove the SiO 2 oxide layer, and then grow a single thickness Si single crystal layer on the silicon layer. A method for improving the SOS structure of a semiconductor device, which comprises forming a silicon layer, has been disclosed, but a manufacturing process is very complicated.

또한, 대한민국 등록특허공보 제407719호에는 사파이어 기판상에 에피택셜 실리콘층을 형성하여 SOS 구조를 형성하는 단계; 에피택셜 실리콘층상에 이온 주입하는 단계; 사파이어상 실리콘 구조를 어닐링하는 단계; 에피택셜 실리콘층을 산화시켜서 박막 에피택셜 실리콘층이 남도록 에피택셜 실리콘층의 일부로부터 실리콘 이산화물층을 형성하는 단계; 실리콘 이산화물층을 제거하여 박막 에피택셜 실리콘층을 노출시키는 단계 등을 포함하는 액정 디스플레이 어래이 및 제어회로의 제조방법이 개시되어 있으나 이미 언급한 바와 같이, 최 표면층의 실리콘 이산화물층을 제거하는 단계가 더 포함되기 때문에 공정 수가 증가하고 최종 박막의 품질이 그다지 우수하지 않다는 문제점이 있다.In addition, the Republic of Korea Patent Publication No. 407719, forming an epitaxial silicon layer on the sapphire substrate to form an SOS structure; Implanting ions on the epitaxial silicon layer; Annealing the sapphire silicon structure; Oxidizing the epitaxial silicon layer to form a silicon dioxide layer from a portion of the epitaxial silicon layer to leave the thin film epitaxial silicon layer; A method of manufacturing a liquid crystal display array and a control circuit is disclosed that includes removing a silicon dioxide layer to expose a thin film epitaxial silicon layer, but, as already mentioned, removing the silicon dioxide layer of the outermost layer is further described. There is a problem that the number of processes increases and the quality of the final thin film is not so good because it is included.

상기와 같은 종래기술은 여러 단계의 복잡한 과정을 통하여 고품위의 SOS 박막을 얻으려 하지만, Si 성장 단계에서 Si과 사파이어간의 격자 부적합과 열팽창율 차이로 발생한 결정결함을, 후처리 공정을 통하여 제거하는 효과는 충분하지 않으며, 또한 격자 부정합에 의한 표면 에너지(surface energy)로 인하여 성장된 Si 박막이 박막 표면이 거칠게 되어 소자 제작시 기계적 연마 공정 등이 필요하므로 공정효율도 떨어진다는 문제가 있었다.Although the prior art as described above attempts to obtain a high quality SOS thin film through a complex process of several steps, the effect of removing crystal defects caused by lattice mismatch and thermal expansion difference between Si and sapphire in the Si growth step through the post-treatment process. In addition, the Si thin film grown due to the surface energy due to lattice mismatch has a problem that the process efficiency is also lowered because the surface of the thin film is roughened and a mechanical polishing process is required during device fabrication.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 간단한 공정을 통하여 고품 위의 실리콘적층 사파이어 박막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing a silicon laminated sapphire thin film on a high quality through a simple process.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the above technical problem,

(a) 사파이어 기판에 실리콘 이온을 상기 기판의 표면 부근에 위치하도록 주입하는 단계;(a) implanting silicon ions into a sapphire substrate so as to be positioned near the surface of the substrate;

(b) 상기에서 주입된 실리콘 이온을 결정화하기 위한 열처리 공정을 시행하여 나노 실리콘 종자를 형성하는 단계;(b) performing a heat treatment process to crystallize the implanted silicon ions to form nano silicon seeds;

(c) 상기 나노 실리콘 종자 상에 결정화 실리콘층을 형성하는 단계; 및(c) forming a crystalline silicon layer on the nano silicon seeds; And

(d) 상기 결정화 실리콘층의 상부에 단결정 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법을 제공한다.(d) forming a single crystal silicon layer on top of the crystallized silicon layer.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (d)단계 이후에, 상기 (c) 및 (d) 단계를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, after step (d), the method may further include repeating steps (c) and (d).

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 (a)단계의 실리콘 이온의 주입은 1∼200keV의 주입에너지 및 1X1014 ∼ 5X1017cm-2의 이온도즈량으로 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the implantation of the silicon ions in the step (a) is the implantation energy of 1 ~ 200keV and 1X10 14 It can be carried out with an ion dose of ˜5 × 10 17 cm −2 .

또한, 상기 (b)단계의 열처리 온도는 500∼1200℃일 수 있고, 상기 열처리 시간은 5분 내지 3시간일 수 있다.In addition, the heat treatment temperature of step (b) may be 500 ~ 1200 ℃, the heat treatment time may be 5 minutes to 3 hours.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c) 및 (d)단계의 실리콘 증착은 RTCVD법에 의하여 수행되는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, the silicon deposition of the steps (c) and (d) is preferably performed by the RTCVD method.

또한, 상기 (c)단계 이전에 수소 베이킹 공정을 더 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen baking process may be further included before the step (c).

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 (c)단계는 750∼850℃의 온도 및 1∼2 torr의 압력에서, H2와 SiH4의 유량비율이 35∼45:1이 되도록 유량을 조절하며 1∼5분 동안 수행될 수 있고, 상기 (d)단계는 850∼950℃의 온도 및 2∼3 torr의 압력에서, H2와 SiH4의 유량비율이 10∼20:1이 되도록 유량을 조절하며 30∼90분 동안 수행될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, step (c) adjusts the flow rate such that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 is 35 to 45: 1 at a temperature of 750 to 850 ° C. and a pressure of 1 to 2 torr. 1 to 5 minutes, and step (d) adjusts the flow rate so that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 is 10 to 20: 1 at a temperature of 850 to 950 ° C. and a pressure of 2 to 3 torr. And 30 to 90 minutes.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법은, (a) 사파이어 기판에 실리콘 이온을 상기 기판의 표면 부근에 위치하도록 주입하는 단계; (b) 상기에서 주입된 실리콘 이온을 결정화하기 위한 열처리 공정을 시행하여 나노 실리콘 종자를 형성하는 단계; (c) 상기 나노 실리콘 종자 상에 결정화 실리콘층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 결정화 실리콘층의 상부에 단결정 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하며, 단결정 실리콘층을 성장시킨 후에 후처리 공정으로서 이온주입을 수행하는 것이 아니라, 상기 단결정 실리콘층을 성장시키기 이전에 전처리 공정으로써 실리콘 이온을 상기 사파이어 기판의 표면에 주입하고, 열처리를 통해 실리콘 종자를 형성한 다음, 이를 씨드로 하여 고품위의 SOS 박막을 제조할 수 있다는 것을 특징으로 한다. 따라서, 단결정 실리콘층의 표면 상태 및 실리콘 결정성이 우수하다는 장점이 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a silicon-laminated sapphire thin film, comprising: (a) implanting silicon ions into a sapphire substrate so as to be positioned near a surface of the substrate; (b) performing a heat treatment process to crystallize the implanted silicon ions to form nano silicon seeds; (c) forming a crystalline silicon layer on the nano silicon seeds; And (d) forming a single crystal silicon layer on top of the crystallized silicon layer, wherein after the single crystal silicon layer is grown, ion implantation is not performed as a post-treatment process, but before the single crystal silicon layer is grown. As a pretreatment process, silicon ions are implanted into the surface of the sapphire substrate, silicon seeds are formed through heat treatment, and then, as a seed, a high quality SOS thin film can be manufactured. Therefore, there is an advantage in that the surface state and silicon crystallinity of the single crystal silicon layer are excellent.

도 2는 본 발명에 의한 SOS 박막의 제조방법에 따른 공정도로서, (가)단계에 서 γ-면의 사파이어(1-102)기판(1)에 화살표로 도시하였듯이 실리콘 이온을 사파이어기판(1) 표면 부근에 위치하도록 주입하여 이온주입층(2)dl 생성되도록 하고, (나)단계에서는 상기에서 주입된 실리콘 이온을 결정화하기 위하여 열처리함으로써 나노 실리콘 종자(nano-Si seed)(3)를 형성하며, (다)단계에서 RTCVD법에 의해 단결정 실리콘층(4)을 성장하여 SOS 박막을 형성하는 단계가 도시되어 있다.FIG. 2 is a process diagram according to a method for manufacturing a SOS thin film according to the present invention, and in the step (a), silicon ions are sapphire substrate 1 as indicated by an arrow on the sapphire (1-102) substrate 1 of γ-plane. It is implanted to be located near the surface to generate the ion implantation layer (2) dl, in step (b) to form a nano-silicon seed (nano-Si seed) (3) by heat treatment to crystallize the implanted silicon ions In step (c), the step of growing the single crystal silicon layer 4 by RTCVD to form an SOS thin film is shown.

한편, 도 3은 좀 더 구체적으로 나노 실리콘 종자(3)의 상부에 일차적으로 결정화 실리콘층(Crystalling silicon layer)(5)이 형성되는 모식도로서, 상기 결정화 실리콘층(5)의 상부에 실리콘이 더욱 증착되면서 도 2의 단결정 실리콘층(4)를 형성하게 된다. Meanwhile, FIG. 3 is a schematic diagram in which a crystallization silicon layer 5 is primarily formed on the nano silicon seed 3, in which silicon is further formed on the crystallization silicon layer 5. As it is deposited, the single crystal silicon layer 4 of FIG. 2 is formed.

본 발명의 제조방법에 따르면, 상기 (d)단계 이후에, 상기 (c) 및 (d) 단계를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 이에 의할 때에는 단결정 실리콘층(4)의 표면 거칠기가 감소되는 효과를 얻을 수 있다.According to the manufacturing method of the present invention, after the step (d), it may further include the step (c) and (d) repeating, whereby the surface roughness of the single crystal silicon layer (4) A reduced effect can be obtained.

한편, 상기 (a)단계의 실리콘 이온의 주입은 1∼200keV의 주입에너지 및 1X1014 ∼ 5X1017cm-2의 이온도즈량으로 수행될 수 있는데, 상기 주입에너지가 1keV 미만인 때에는 이온주입이 불충분하고, 200keV를 초과하는 때에는 사파이어 기판의 표면에 과도한 물리적 손상 및 결정화 실리콘이 사파이어 기판의 내부에 생성될 염려가 있다. 상기 주입에너지는 10∼100keV인 것이 좋고, 13∼50keV인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 상기 이온도즈량이 1X1014 cm- 2미만인 때에는 이온주입량이 불충분하여 후공정에서 적절한 밀도의 나노 실리콘 종자(3)가 형성되기 어렵고, 5X1017cm-2 을 초과하는 때에는 사파이어 기판(1)의 표면에 물리적인 손상이 발생할 염려가 있다. 상기 이온도즈량은 5X1014 ∼ 1X1017cm-2인 것이 좋고, 1X1015 ∼ 5X1016cm-2인 것이 더욱 바람직하다.On the other hand, the implantation of the silicon ions in step (a) may be performed with an implantation energy of 1 to 200 keV and an ion dose of 1X10 14 to 5X10 17 cm -2 . When the implantation energy is less than 1 keV, ion implantation is insufficient. When exceeding 200 keV, excessive physical damage to the surface of the sapphire substrate and crystalline silicon may occur inside the sapphire substrate. It is preferable that the said injection energy is 10-100 keV, and it is more preferable that it is 13-50 keV. On the other hand, the ion dose amount is 1X10 14 If it is less than 2 cm - 2 , the ion implantation amount is insufficient, so that it is difficult to form a nano silicon seed 3 having an appropriate density in a later process, and if it exceeds 5X10 17 cm -2 , physical damage may occur on the surface of the sapphire substrate 1. There is. The ion dose amount is 5X10 14 - it may be a 1X10 17 cm -2, 1X10 15 It is more preferable that it is-5X10 16 cm <-2> .

또한, 상기 (b)단계의 열처리 온도는 500∼1200℃일 수 있는데, 상기 열처리 온도가 500℃ 미만인 때에는 나노 실리콘 종자(3)가 제대로 형성되지 않을 염려가 있고, 1200℃를 초과하는 때에는 과도한 열 소모로 공정효율면에서 바람직하지 않다.In addition, the heat treatment temperature of the step (b) may be 500 ~ 1200 ℃, when the heat treatment temperature is less than 500 ℃ nano silicon seed 3 may not be formed properly, when exceeding 1200 ℃ excessive heat Consumption is undesirable in terms of process efficiency.

한편, 상기 열처리 시간은 5분 내지 3시간일 수 있는데, 5분 미만인 때에는 나노 실리콘 종자(3)가 제대로 형성되지 않을 염려가 있고, 3시간을 초과하는 때에는 공정효율면에서 바람직하지 않다.On the other hand, the heat treatment time may be 5 minutes to 3 hours, when less than 5 minutes there is a fear that the nano silicon seed (3) is not formed properly, when it exceeds 3 hours is not preferable in terms of process efficiency.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c) 및 (d)단계의 실리콘 증착은 RTCVD(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition)법에 의하여 수행되는 것이 바람직한데, 이는 램프에서 발생한 광선으로 반응로를 가열시켜 증착을 수행하는 CVD 방법으로서 광선을 통해 내부의 온도를 상승시킬 것 이외에도 반응가스의 원자 또는 분자를 여기시키는 역할을 하기 때문에 반응에너지를 낮출 수 있다는 장점이 있다.According to another embodiment of the present invention, the silicon deposition of the steps (c) and (d) is preferably carried out by the Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition (RTCVD) method, which heats the reactor with the light generated from the lamp. As a CVD method for performing vapor deposition, the reaction energy is lowered because it serves to excite atoms or molecules of the reaction gas in addition to raising the internal temperature through light.

상기 (c)단계 이전에는 수소 베이킹 공정을 더 포함하여 수행하는 것이 바람직한데, 이는 상기 실리콘 이온이 주입된 이온주입층(2)의 표면에는 수증기, SiO2 기타 불순물이 존재할 수 있으며, 이러한 불순물로 인해 실리콘의 증착이 저해되기 때문에 이러한 불순물을 제거하기 위함이다. 본 공정은 약 900℃의 온도와 약 1torr의 압력에서 1분 내지 수분동안 적당한 유량의 H2 기체를 흘려주며 상기 사파이어 기판의 표면에 붙어 있는 불순물을 제거하는 공정을 의미한다.Prior to the step (c), it is preferable to perform a hydrogen baking process, which may include water vapor, SiO 2 and other impurities on the surface of the ion implanted layer 2 into which the silicon ions are implanted. This is to remove these impurities because the deposition of silicon is inhibited. This process refers to a process of removing impurities adhering to the surface of the sapphire substrate while flowing an appropriate flow rate of H 2 gas for 1 minute to several minutes at a temperature of about 900 ° C. and a pressure of about 1 torr.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 (c)단계는 750∼850℃의 온도 및 1∼2 torr의 압력에서, H2와 SiH4의 유량비율이 35∼45:1이 되도록 유량을 조절하며 1∼5분 동안 수행될 수 있는데, 본 공정에 따라 저온성장에 의하여, 나노 실리콘 종자(3)를 씨드로 하여 결정화 실리콘층(5)이 형성되는 단계이다. 상기 온도가 750℃ 미만인 때에는 단결정 실리콘이 성장되지 않고, 다결정 또는 비정질 실리콘이 성장되는 문제가 있고, 850℃를 초과하는 때에는 과도한 실리콘 성장률로 결정화 실리콘 체적이 과도하여 고품위의 단결정 실리콘층 성장이 어려운 문제가 있다. 한편, 상기 반응압력이 1torr 미만인 때에는 실리콘의 성장률이 낮은 문제가 있고, 2torr를 초과하는 때에는 최적의 단결정 실리콘층 성장이 어려운 문제가 있다. 기체의 유량은 H2와 SiH4의 유량비율이 35∼45:1이 되도록 하는 것이 바람직한데, 상기 유량비율이 35:1 미만인 때에는 반응률의 과다로 최적의 단결정 성장을 저해하는 문제가 있고, 45:1을 초과하는 때에는 성장률이 너무 작을 염려가 있다. 또한 상기 반응시간은 1 내지 5분인 것이 바람직한데, 1분 미만인 때에는 결정화 실리콘이 생성되지 않을 염려가 있고, 5분을 초과하는 때에는 결정화 실리콘이 생성되지 않은채로 실리콘 막이 생성될 염려가 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, step (c) adjusts the flow rate such that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 is 35 to 45: 1 at a temperature of 750 to 850 ° C. and a pressure of 1 to 2 torr. It may be performed for 1 to 5 minutes, by the low-temperature growth according to the present process, the crystallized silicon layer 5 is formed by using the nano silicon seed (3) as a seed. When the temperature is less than 750 ℃ single crystal silicon is not grown, there is a problem that polycrystalline or amorphous silicon is grown, when the temperature exceeds 850 ℃ excessive silicon growth excessive crystallized silicon volume is difficult to grow high quality single crystal silicon layer There is. On the other hand, when the reaction pressure is less than 1 torr, there is a problem that the growth rate of silicon is low, and when it exceeds 2 torr, there is a problem that optimum single crystal silicon layer growth is difficult. The flow rate of the gas is preferably such that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 is 35 to 45: 1. When the flow rate ratio is less than 35: 1, there is a problem of inhibiting optimum single crystal growth due to excessive reaction rate. If it exceeds 1, the growth rate may be too small. In addition, the reaction time is preferably 1 to 5 minutes, when less than 1 minute there is a fear that the silicon crystals are not produced, when more than 5 minutes there is a risk that the silicon film is generated without the crystallized silicon.

한편, 상기 (d)단계는 850∼950℃의 온도 및 2∼3 torr의 압력에서, H2와 SiH4의 유량비율이 10∼20:1이 되도록 유량을 조절하며 30∼90분 동안 수행함으로써 상기 결정화 실리콘층(5)의 상부에 단결정 에피택시층을 형성하는 단계인데, 상기 온도가 850℃ 미만인 때에는 단결정 실리콘이 성장되지 않고 다결정 또는 비젖ㅇ질 실리콘이 성장될 염려가 있고, 950℃를 초과하는 때에는 과도한 실리콘 성장률로 고품위 단결정 실리콘층 성장이 어려울 염려가 있다. 한편, 상기 반응압력이 2torr 미만인 때에는 실리콘층의 성장률이 너무 낮고, 3torr를 초과하는 때에는 최적의 단결정 실리콘층 성장이 어려울 염려가 있다. 기체의 유량은 H2와 SiH4의 유량비율이 10∼20:1이 되도록 하는 것이 바람직한데, 상기 유량비율이 10:1 미만인 때에는 반응률의 과다로 최적의 단결정 성장이 저해될 우려가 있고, 20:1을 초과하는 때에는 성장률이 너무 작다는 문제가 있다. 또한 상기 반응시간은 30 내지 90분인 것이 바람직한데, 30분 미만인 때에는 결정화 실리콘으로부터 단결정 실리콘층의 박막화가 어려울 염려가 있고, 90분을 초과하는 때에는 단결정 실리콘층의 두께가 너무 두꺼워질 염려가 있다.On the other hand, step (d) is carried out for 30 to 90 minutes by adjusting the flow rate so that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 is 10 to 20: 1 at a temperature of 850 ~ 950 ℃ and a pressure of 2 to 3 torr Forming a single crystal epitaxy layer on top of the crystallized silicon layer (5), when the temperature is less than 850 ℃ single crystal silicon is not grown and polycrystalline or non-wetting There is a concern that silicon may be grown, and when it exceeds 950 ° C., there is a fear that it is difficult to grow a high quality single crystal silicon layer with excessive silicon growth rate. On the other hand, when the reaction pressure is less than 2 torr, the growth rate of the silicon layer is too low, and when it exceeds 3 torr, there is a fear that optimal single crystal silicon layer growth is difficult. The flow rate of the gas is preferably such that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 is 10 to 20: 1. When the flow rate ratio is less than 10: 1, there is a possibility that optimum single crystal growth is inhibited due to excessive reaction rate. If it exceeds 1, there is a problem that the growth rate is too small. In addition, the reaction time is preferably 30 to 90 minutes, when less than 30 minutes, there is a concern that the thin film of the single crystal silicon layer from the crystalline silicon may be difficult, and when it exceeds 90 minutes, the thickness of the single crystal silicon layer may be too thick.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

γ-면의 사파이어(1-102)기판의 표면 부근에 실리콘 이온들이 위치하도록 이 온주입을 하였으며, 실리콘 이온의 주입에너지는 30 keV, 도즈량은 1X1016cm-2으로 고정하였다. 다음으로, 상기에서 주입된 실리콘 이온들을 결정화하기 위하여 1000℃에서 1시간 동안 열처리를 수행함으로써 나노 실리콘 종자를 형성하였으며, 도 4에는 상기 사파이어 기판에 대한 전자 투과 현미경(TEM) 사진을 도시하였다. 본 도면을 참조하면, 사파이어 기판(1)상에 이온주입층(2)이 식별가능하며, 상기 이온주입층(2)에 점선으로 이루어진 타원부위에 나노 실리콘 종자(3)가 형성되어 있다는 것을 확인할 수 있다. 다음으로, 상기에서 처리된 기판을 반응로 내부에 장입한 후, RTCVD의 반응로의 진공이 약 10 -6 torr의 초기 기본진공을 유지시킨 다음, 900℃의 온도와 1 torr의 압력에서 1분 동안 80 sccm의 속도로 수소(H 2 )가스를 흘려주어서 상기 이온주입층의 표면에 붙어있는 불순물을 완전히 제거하는 H2 베이킹(baking)공정을 수행하였다. 그 다음, 1단계 성장으로 결정화 실리콘층을 형성시키기 위하여 반응로 온도가 800℃가 되도록 조절하고 1 torr의 압력 하에서 2분 동안 순도 99.9999%인 SiH4를 2sccm, H2는 80sccm로 유입시켜 전체 가스의 유입량이 82sccm(H2/SiH4= 40)되도록 한 뒤, 반응로로 상기 기체들을 흘려주면서 약 50nm 두께의 결정화 실리콘층을 성장시켰다. 마지막으로, 60분 동안 약 900℃의 온도 및 약 3 torr의 압력에서 SiH4 과 H2 를 각각 2sccm과 30sccm(H2/SiH4= 15)으로 흘려주면서, 약 400 ∼ 800 nm 두께의 단결정 실리콘층을 성장시킴으로써 실리콘적층 사파이어 박막을 제조하였다. The ion implantation was performed such that the silicon ions were positioned near the surface of the sapphire (1-102) substrate on the γ-plane, and the implantation energy of the silicon ions was fixed at 30 keV and the dose was 1 × 10 16 cm −2 . Next, nano silicon seeds were formed by performing heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour to crystallize the implanted silicon ions, and FIG. 4 shows an electron transmission microscope (TEM) image of the sapphire substrate. Referring to the figure, it can be seen that the ion implantation layer 2 is identifiable on the sapphire substrate 1, and that the nano silicon seed 3 is formed on the ellipse portion formed by the dotted line in the ion implantation layer 2. Can be. Next, after the substrate treated above was charged into the reactor, the vacuum in the reactor of RTCVD maintained an initial basic vacuum of about 10 −6 torr, followed by 1 minute at a temperature of 900 ° C. and a pressure of 1 torr. While flowing a hydrogen (H 2 ) gas at a rate of 80 sccm, the H 2 baking process for completely removing impurities adhering to the surface of the ion implantation layer was performed. Then, in order to form the crystallized silicon layer in one step growth, the reactor temperature was adjusted to 800 ° C., and SiH 4 having a purity of 99.9999% for 2 minutes was introduced at 2 sccm and H 2 was introduced at 80 sccm under a pressure of 1 torr. After the inflow of 82 sccm (H 2 / SiH 4 = 40), a layer of about 50 nm thick crystalline silicon was grown while flowing the gases into the reactor. Finally, SiH 4 and H 2 were flowed at 2 sccm and 30 sccm (H 2 / SiH 4 = 15), respectively, at a temperature of about 900 ° C. and a pressure of about 3 torr for 60 minutes, with about 400-800 nm thick single crystal silicon. A silicon laminated sapphire thin film was prepared by growing the layer.

비교예 1Comparative Example 1

사파이어 기판 상에 공지의 에피택시 성장에 의해 3000Å 두께의 실리콘층을 적층한 다음, 약 180ekV의 이온주입에너지 및 1016/cm2의 이온도즈량으로 실리콘 이온을 주입하였다. 이 때 상기 기판의 온도는 100℃ 이하로 유지시켰으며, 이를 통해 상기 사파이어와 실리콘층의 계면으로부터 약 2000Å 두께의 무정형 실리콘층을 형성하였다. 다음으로, 상기 기판을 반응로에 장입하고, 질소분위기 하 600℃의 반응온도에서 약 60분 동안 열처리한 다음, 900℃에서 약 15분 동안 열처리 함으로써 최상부의 단결정 실리콘층으로부터 재결정화가 일어나도록 함으로써 실리콘적층 사파이어 박막을 제조하였다.A silicon layer having a thickness of 3000 mW was deposited on the sapphire substrate by known epitaxy growth, and then silicon ions were implanted at an ion implantation energy of about 180ekV and an ion dose of 10 16 / cm 2 . At this time, the temperature of the substrate was maintained at 100 ° C. or less, thereby forming an amorphous silicon layer having a thickness of about 2000 μs from the interface between the sapphire and the silicon layer. Next, the substrate is charged to a reactor, heat treated at a reaction temperature of 600 ° C. for about 60 minutes under a nitrogen atmosphere, and then heat treated at 900 ° C. for about 15 minutes to cause recrystallization from the top single crystal silicon layer. A laminated sapphire thin film was prepared.

시험예 1Test Example 1

결정화 실리콘층의 확인Identification of Crystallized Silicon Layer

상기 실시예 1의 중간단계에서 형성된 결정화 실리콘층을 확인하기 위하여 전자 주사 현미경 사진(SEM) 및 전자 투과 현미경 사진(TEM)을 촬영하고 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5를 참조하면, 사파이어 기판의 상부에 결정화 실리콘층이 형성되어 있다는 것을 확인할 수 있다.In order to confirm the crystallized silicon layer formed in the intermediate step of Example 1, an electron micrograph (SEM) and an electron transmission micrograph (TEM) were taken and the results are shown in FIG. 5. Referring to FIG. 5, it can be seen that a crystalline silicon layer is formed on the sapphire substrate.

시험예 2Test Example 2

SOSSOS 박막에 대한 전자 투과 현미경 사진 촬영 Electron Transmission Microscopy for Thin Films

상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘적층 사파이어 박막에 대하여 전자 투과 현미경 사진을 촬영하고 그 결과를 도 6에 도시하였다. 본 도면을 참조하면, 비교예 1에 의한 박막의 경우에 Al2O3와 Si 사이의 계면에서 결함들이 매우 많이 발견되었으나, 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 박막의 경우에는 Al2O3와 Si 사이의 계면의 상태가 매우 좋은 것을 확인할 수 있다.Electron transmission micrographs were taken of the silicon laminate sapphire thin films prepared by Example 1 and Comparative Example 1, and the results are shown in FIG. 6. Referring to this drawing, in the case of the thin film according to Comparative Example 1, very many defects were found at the interface between Al 2 O 3 and Si, but in the case of the thin film manufactured according to Example 1 of the present invention, Al 2 O 3 It can be seen that the state of the interface between and Si is very good.

시험예 3Test Example 3

XRDXRD 실험 Experiment

상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘적층 사파이어 박막에 대하여 X-ray 분광기(DCRC)를 사용하여 XRD 데이터를 측정하고 그 결과를 도 7에 도시하였다. 본 도면을 참조하면 비교예 1에 의해 제조된 박막의 경우 DCRC 반폭치(FWHM)는 1205sec-1이며, 본 발명 방법에 의해 제조된 박막의 DCRC 반폭치는 700sec-1인데, DCRC 반폭치가 적을수록 박막의 결정상태가 우수한 것을 나타내므로 본 발명에 따라 제조된 실리콘적층 사파이어박막의 단결정 실리콘층의 결정성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.The XRD data of the silicon laminated sapphire thin films prepared by Example 1 and Comparative Example 1 were measured using an X-ray spectrometer (DCRC) and the results are shown in FIG. 7. Referring to this drawing, the DCRC half-width (FWHM) of the thin film manufactured by Comparative Example 1 is 1205 sec −1, and the DCRC half-width of the thin film manufactured by the method of the present invention is 700 sec −1 . It can be confirmed that the crystallinity of the excellent crystallinity of the single crystal silicon layer of the silicon laminated sapphire thin film prepared according to the present invention is excellent.

시험예 4Test Example 4

RamanRaman 실험 Experiment

상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 실리콘적층 사파이어 박막에 대하여 Raman 데이터를 측정하고 벌크 실리콘과 비교한 결과를 도 8에 도시하였다. 라만데이터는 그 물질의 결정성과 응력(strain)을 측정할 수 있는 데이터로서 기본적으로 응력을 받지 않은 실리콘 은 521 cm-1에 피크가 위치하며, 그 피크의 위치변화에 따라 응력을 받는 정도를 알 수 있는데, 도 8을 참조하면, peak의 중심을 빨간 사선으로 표시했으며 실시예1 이 비교예 1보다 벌크 실리콘에 가까이 위치하고 있으며, 이는 실시예 1에 의해 제조된 실리콘적층 사파이어 박막의 경우 격자부정합으로 발생할 수 있는 응력이 완화됨을 보이고 있는 것이다. 또한 피크의 반폭치(FWHM)의 크기가 결정도를 나타내며, 반폭치가 적을수록 결정도가 우수한 것이므로 본 발명에 따른 박막의 결정도가 비교예 1의 그것보다 우수하다는 것을 확인할 수 있다. The Raman data of the silicon-laminated sapphire thin films prepared by Example 1 and Comparative Example 1 were measured and compared with bulk silicon, and the results are shown in FIG. 8. Raman data is a data that can measure the crystallinity and strain of the material. Basically, unstressed silicon has a peak at 521 cm -1 and knows how much stress is affected by the change of position of the peak. Referring to FIG. 8, the center of the peak is indicated by red diagonal lines, and Example 1 is located closer to bulk silicon than Comparative Example 1, which is a lattice mismatch in the silicon-laminated sapphire thin film manufactured by Example 1 It can be seen that the stresses that can occur are alleviated. In addition, since the size of the peak half-width (FWHM) indicates the crystallinity, the smaller the half-width value is, the better the crystallinity is, so that the crystallinity of the thin film according to the present invention is superior to that of Comparative Example 1.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 나노 실리콘 종자가 형성된 기판의 상부에 단결정 실리콘층이 형성되며, 상기 나노 실리콘 종자의 물리적 성질이 상기 단결정 실리콘층의 그것과 유사하기 때문에 격자 부정합 및 열팽창률의 차이로 인한 결정결함의 생성을 억제할 수 있어, 간단한 공정에 의하여, 보다 향상된 고품위의 실리콘적층 사파이어 박막을 얻을 수 있다는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, a single crystal silicon layer is formed on the substrate on which the nano silicon seeds are formed, and since the physical properties of the nano silicon seeds are similar to those of the single crystal silicon layer, the lattice mismatch and the coefficient of thermal expansion Since the generation of crystal defects due to the difference can be suppressed, there is an advantage that a high quality silicon-laminated sapphire thin film can be obtained by a simple process.

Claims (9)

(a) 사파이어 기판에 실리콘 이온을 1∼200keV의 주입에너지 및 1X1014 ∼ 5X1017cm-2의 이온도즈량으로 주입하는 단계;(a) implanting silicon ions into the sapphire substrate at an implantation energy of 1 to 200 keV and an ion dose of 1 × 10 14 to 5X10 17 cm −2 ; (b) 상기에서 주입된 실리콘 이온을 결정화하기 위한 열처리 공정을 시행하여 나노 실리콘 종자를 형성하는 단계;(b) performing a heat treatment process to crystallize the implanted silicon ions to form nano silicon seeds; (c) 750∼850℃의 온도 및 1∼2 torr의 압력에서, H2와 SiH4의 유량비율이 35∼45:1이 되도록 유량을 조절하며 1∼5분 동안 상기 나노 실리콘 종자 상에 결정화 실리콘층을 형성하는 단계; 및(c) at a temperature of 750-850 ° C. and a pressure of 1-2 torr, the flow rate was adjusted such that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 was 35-45: 1 and crystallized on the nano silicon seed for 1-5 minutes. Forming a silicon layer; And (d) 850∼950℃의 온도 및 2∼3 torr의 압력에서, H2와 SiH4의 유량비율이 10∼20:1이 되도록 유량을 조절하며 30∼90분 동안 상기 결정화 실리콘층의 상부에 단결정 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 적층 사파이어 박막의 제조방법.(d) At a temperature of 850 to 950 ° C. and a pressure of 2 to 3 torr, the flow rate is adjusted so that the flow rate ratio of H 2 and SiH 4 is 10 to 20: 1, and the upper part of the crystallized silicon layer is A method of manufacturing a silicon laminated sapphire thin film comprising the step of forming a single crystal silicon layer. 제 1항에 있어서, 상기 (d)단계 이후에, 상기 (c) 및 (d) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법.The method of claim 1, further comprising repeating steps (c) and (d) after the step (d). 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 (b)단계의 열처리 공정의 온도는 500∼1200℃인 것을 특징으로 하는 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the temperature of the heat treatment process of step (b) is 500 ~ 1200 ℃. 제 1항 또는 제4항에 있어서, 상기 열처리 공정의 시간은 5분 내지 3시간인 것을 특징으로 하는 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법.The method of claim 1 or 4, wherein the heat treatment is performed for 5 minutes to 3 hours. 제 1항에 있어서, 상기 (c) 및 (d)단계의 실리콘층 형성은 RTCVD법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the forming of the silicon layer of steps (c) and (d) is performed by RTCVD. 제 1항에 있어서, 상기 (c)단계 이전에 수소 베이킹 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘적층 사파이어 박막의 제조방법.The method of claim 1, further comprising a hydrogen baking process before step (c). 삭제delete 삭제delete
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